De geschiedenis van CNC Machines
John T. Parsons (1913-2007) van Parsons Corporation in Traverse City, MI wordt beschouwd als de pionier van de numerieke besturing, de voorloper van de moderne CNC machine. Voor zijn werk wordt John Parsons wel de vader van de 2e industriële revolutie genoemd. Hij moest complexe helikopterbladen vervaardigen en besefte al snel dat de toekomst van de productie erin bestond machines met computers te verbinden. Vandaag zijn CNC-gefabriceerde onderdelen te vinden in bijna elke industrie. Dankzij CNC machines hebben we minder dure goederen, een sterkere nationale defensie en een hogere levensstandaard dan mogelijk is in een niet-geïndustrialiseerde wereld. In dit artikel gaan we dieper in op de oorsprong van de CNC machine, verschillende soorten CNC machines, CNC machine programma’s en gangbare praktijken van CNC machine shops.
Machines ontmoeten Computer
In 1946 betekende het woord “computer” een met ponskaarten bediende rekenmachine. Hoewel Parsons Corporation nog maar één propeller had gemaakt, overtuigde John Parsons Sikorsky Helicopter ervan dat hij uiterst precieze mallen kon maken voor de assemblage en fabricage van propellers. Uiteindelijk vond hij een ponskaart-computermethode uit om punten op een helikopterrotorblad te berekenen. Vervolgens liet hij operators de wielen op die punten draaien op een freesmachine in Cincinnati. Hij schreef een wedstrijd uit voor de naam van dit nieuwe proces en gaf $50 aan de persoon die “Numerical Control” of NC bedacht.
In 1958 vroeg hij patent aan om de computer op de machine aan te sluiten. Zijn octrooiaanvraag kwam drie maanden voor MIT binnen, dat werkte aan het concept dat hij was begonnen. MIT gebruikte zijn concepten om de oorspronkelijke apparatuur te maken en de licentiehouder van de heer Parsons (Bendix) gaf sublicenties aan onder andere IBM, Fujitusu en GE. Het NC-concept sloeg maar langzaam aan. Volgens de heer Parsons waren de mensen die het idee verkochten computermensen in plaats van productiemensen. Tegen het begin van de jaren 1970 populariseerde het Amerikaanse leger echter zelf het gebruik van NC-computers door ze te bouwen en te verhuren aan talrijke fabrikanten. De CNC-controller ontwikkelde zich parallel aan de computer en zorgde voor steeds meer productiviteit en automatisering in productieprocessen, met name in de verspaning.
Wat is CNC-verspaning?
CNC-machines maken over de hele wereld onderdelen voor bijna elke industrie. Ze maken dingen van kunststof, metaal, aluminium, hout en vele andere harde materialen. Het woord “CNC” staat voor Computer Numerical Control, maar tegenwoordig noemt iedereen het CNC. Dus, hoe definieer je een CNC machine? Alle geautomatiseerde bewegingsbestuurde machines hebben drie primaire componenten – een commandofunctie, een aandrijf/bewegingssysteem en een feedbacksysteem. CNC machinale bewerking is het proces waarbij een computergestuurde bewerkingsmachine wordt gebruikt om een onderdeel uit massief materiaal in een andere vorm te produceren
De CNC is afhankelijk van digitale instructies die gewoonlijk worden gemaakt op Computer Aided Manufacturing (CAM) of Computer Aided Design (CAD) software zoals SolidWorks of MasterCAM. De software schrijft G-code die de controller op de CNC-machine kan lezen. Het computerprogramma op de controller interpreteert het ontwerp en beweegt snijgereedschap en/of het werkstuk op meerdere assen om de gewenste vorm uit het werkstuk te snijden. Het geautomatiseerde snijproces is veel sneller en nauwkeuriger dan een handmatige beweging van gereedschappen en werkstukken, die op oudere machines met hefbomen en tandwielen wordt uitgevoerd. Moderne CNC machines hebben meerdere gereedschappen en maken vele soorten sneden. Het aantal bewegingsvlakken (assen) en het aantal en de soorten gereedschappen waartoe de machine tijdens het bewerkingsproces automatisch toegang heeft, bepalen hoe complex een werkstuk een CNC kan maken.
Hoe gebruik je een CNC machine
CNC verspaners moeten vaardigheden opdoen in zowel programmeren als metaalbewerking om de kracht van een CNC machine ten volle te benutten. Technische handelsscholen en leerprogramma’s beginnen studenten vaak op handmatige draaibanken om een gevoel te krijgen voor hoe metaal te snijden. De verspaner moet in staat zijn alle drie de dimensies te zien. Tegenwoordig maakt software het gemakkelijker dan ooit om complexe onderdelen te maken, omdat de vorm van het onderdeel virtueel kan worden getekend en de software vervolgens gereedschapspaden kan voorstellen om die onderdelen te maken.
Type software dat vaak wordt gebruikt in het CNC-bewerkingsproces
Computer Aided Drawing (CAD)
CAD-software is het startpunt voor de meeste CNC-projecten. Er zijn veel verschillende CAD software pakketten, maar ze worden allemaal gebruikt om ontwerpen te maken. Populaire CAD programma’s zijn AutoCAD, SolidWorks, en Rhino3D. Er zijn ook cloud-gebaseerde CAD-oplossingen, en sommige bieden CAM-mogelijkheden of integreren beter met CAM-software dan andere.
Computer Aided Manufacturing (CAM)
CNC-machines gebruiken vaak programma’s gemaakt door CAM-software. CAM stelt gebruikers in staat een “job tree” op te zetten om de workflow te organiseren, gereedschapspaden in te stellen en snijsimulaties uit te voeren voordat de machine echt snijdt. Vaak werken CAM-programma’s als add-ons voor CAD-software en genereren ze g-code die de CNC-gereedschappen en de bewegende delen van het werkstuk vertelt waar ze naartoe moeten. Wizards in CAM software maken het programmeren van een CNC machine eenvoudiger dan ooit. Populaire CAM-software omvat Mastercam, Edgecam, OneCNC, HSMWorks, en Solidcam. Mastercam en Edgecam zijn goed voor bijna 50% van het high-end CAM-marktaandeel volgens een rapport uit 2015.
Wat is een Distributed Numeric Control?
Direct Numeric Control dat Distributed Numeric Control (DNC)
Direct Numeric Controls werden gebruikt om NC-programma’s en machineparameters te beheren. Hiermee konden programma’s via een netwerk van een centrale computer naar boordcomputers, bekend als machinebesturingseenheden (MCU), worden verplaatst. Het heette oorspronkelijk “Direct Numeric Control” en omzeilde de noodzaak van papieren tape, maar als de computer uitviel, vielen alle machines uit.
Distributed Numerical Control gebruikt een netwerk van computers om de werking van meerdere machines te coördineren door een programma naar de CNC te sturen. Het CNC-geheugen bevat het programma en de operator kan het programma ophalen, bewerken en terugsturen.
Moderne DNC programma’s kunnen het volgende doen:
- Bewerken – Kan een NC-programma uitvoeren terwijl andere worden bewerkt
- Vergelijken – Vergelijk originele en bewerkte NC-programma’s naast elkaar en bekijk de bewerkingen
- Herstarten – Wanneer een gereedschap breekt kan het programma worden gestopt en opnieuw worden gestart waar het was gebleven
- Job tracking – Operators kunnen klokken op jobs en bijvoorbeeld setup en runtime bijhouden
- Tekeningen weergeven – Toon foto’s, CAD tekeningen van gereedschappen, opspanningen en afwerkstukken
- Geavanceerde scherminterfaces – Bewerking met één druk op de knop
- Geavanceerd databasebeheer – Organiseert en bewaart gegevens waar ze gemakkelijk kunnen worden opgehaald
Mufacturing Data Collection (MDC)
MDC-software kan alle functies van DNC-software omvatten plus extra gegevens verzamelen en deze analyseren voor de Overall Equipment Effectiveness (OEE). De Overall Equipment Effectiveness is afhankelijk van het volgende: Kwaliteit – het aantal producten dat voldoet aan de kwaliteitsnormen van alle geproduceerde producten Beschikbaarheid – percentage van de geplande tijd dat de gespecificeerde apparatuur werkt of onderdelen produceert Prestatie – werkelijke loopsnelheid in vergelijking met de geplande of ideale loopsnelheid van de apparatuur.
OEE = Kwaliteit x Beschikbaarheid x Prestaties
OEE is een belangrijke prestatiemeter (KPI) voor veel machinewerkplaatsen.
Machinebewakingsoplossingen
Machinebewakingssoftware kan worden ingebouwd in DNC- of MDC-software of apart worden aangeschaft. Met oplossingen voor machinebewaking worden machinegegevens zoals setup, runtime en downtime automatisch verzameld en gecombineerd met menselijke gegevens zoals redencodes om zowel historisch als realtime inzicht te geven in hoe opdrachten verlopen. Moderne CNC-machines verzamelen tot 200 soorten gegevens, en software voor machinebewaking kan die gegevens nuttig maken voor iedereen, van de werkvloer tot de bovenverdieping. Bedrijven zoals Memex bieden software (Tempus) aan die gegevens van om het even welke CNC-machine in een gestandaardiseerd databaseformaat zet dat kan worden weergegeven in zinvolle grafieken en diagrammen. Een gegevensstandaard die door de meeste oplossingen voor machinebewaking wordt gebruikt en in de VS terrein heeft gewonnen, heet MTConnect. Veel nieuwe CNC-bewerkingsmachines zijn tegenwoordig uitgerust om gegevens in dit formaat te leveren. Oudere machines kunnen met adapters nog steeds waardevolle informatie leveren. Machine monitoring voor CNC machines is pas de laatste paar jaar gemeengoed geworden, en nieuwe software oplossingen zijn altijd in ontwikkeling.
Wat zijn de verschillende soorten CNC machines?
Er zijn tegenwoordig talloze verschillende soorten CNC machines. CNC machines zijn werktuigmachines die materiaal snijden of verplaatsen zoals geprogrammeerd op de controller, zoals hierboven beschreven. Het type snede kan variëren van plasmasnijden tot lasersnijden, frezen, frezen en draaibanken. CNC machines kunnen zelfs items oppakken en verplaatsen op een assemblagelijn.
Hieronder staan basistypes van CNC machines:
Lathes: Dit type CNC draait het werkstuk en beweegt het snijgereedschap naar het werkstuk. Een basis draaibank is 2-assig, maar er kunnen veel meer assen worden toegevoegd om de complexiteit van de mogelijke snede te vergroten. Het materiaal draait op een spindel en wordt tegen een slijp- of snijgereedschap gedrukt dat de gewenste vorm maakt. Draaibanken worden gebruikt om symmetrische voorwerpen zoals bollen, kegels of cilinders te maken. Veel CNC machines zijn multifunctioneel en combineren alle soorten snijwerk.
Routers: CNC-frezen worden meestal gebruikt om grote afmetingen te frezen in hout, metaal, platen en kunststoffen. Standaard routers werken op 3-assige coördinaten, zodat ze kunnen snijden in drie dimensies. U kunt echter ook 4,5 en 6-assige machines kopen voor prototype modellen en complexe vormen.
Frezen: Handmatige freesmachines gebruiken handwielen en geleideschroeven om een snijgereedschap op een werkstuk te scharnieren. In een CNC-freesmachine verplaatst de CNC zeer nauwkeurige kogelomloopspillen naar de exacte coördinaten die in plaats daarvan zijn geprogrammeerd. CNC freesmachines zijn er in vele maten en soorten en kunnen op meerdere assen werken.
Plasmasnijders: De CNC plasma snijder maakt gebruik van een krachtige laser om te snijden. De meeste plasma snijders snijden geprogrammeerde vormen uit plaat of plaat.
3D Printer: Een 3D-printer gebruikt het programma om te vertellen waar kleine stukjes materiaal moeten worden neergelegd om de gewenste vorm te bouwen. 3D-onderdelen worden laag voor laag gebouwd met een laser om de vloeistof of stroom te stollen terwijl de lagen groeien.
Pick and Place Machine: Een CNC “pick and place” machine werkt vergelijkbaar met een CNC-router, maar in plaats van materiaal te snijden, heeft de machine vele kleine spuitmondjes die onderdelen oppikken met behulp van een vacuüm, ze naar de gewenste locatie verplaatsen en ze neerzetten. Deze worden gebruikt om (onder andere) tafels, computermoederborden en andere elektrische assemblages te maken.)
CNC-machines kunnen veel dingen doen. Vandaag de dag kan computertechnologie op zowat elke denkbare machine worden toegepast. De CNC vervangt de menselijke interface die nodig is om machineonderdelen te bewegen om het gewenste resultaat te krijgen. De CNC’s van vandaag zijn in staat om te beginnen met ruw materiaal, zoals een blok staal, en een zeer complex onderdeel te maken met precieze toleranties en verbazingwekkende herhaalbaarheid.
Het allemaal samenvoegen: Hoe CNC machinewerkplaatsen onderdelen maken
De bediening van een CNC machine omvat zowel de computer (controller) als een fysieke opstelling. Een typisch machinewerkplaatsproces ziet er als volgt uit:
Een ontwerpingenieur maakt het ontwerp in het CAD-programma en stuurt het naar een CNC-programmeur. De programmeur opent het bestand in het CAM-programma om te beslissen welke gereedschappen nodig zijn en om het NC-programma voor de CNC te maken. Hij of zij stuurt het NC-programma naar de CNC-machine en geeft een lijst met de juiste gereedschapsopstelling aan een operator. Een operator laadt de gereedschappen volgens de instructies en laadt het ruwe materiaal (of werkstuk). Hij of zij voert dan proefstukken uit en meet ze met kwaliteitscontrolegereedschap om te controleren of de CNC-machine onderdelen maakt volgens de specificaties. Gewoonlijk levert de operator een eerste stuk aan de kwaliteitsafdeling, die alle afmetingen controleert en de instelling goedkeurt. De CNC machine of aanverwante machines worden geladen met voldoende ruw materiaal om het gewenste aantal stukken te maken, en een machinebediener staat klaar om ervoor te zorgen dat de machine blijft draaien, stukken maakt volgens specificatie en ruw materiaal heeft. Afhankelijk van het werk is het vaak mogelijk om CNC-machines “licht uit” te laten werken zonder operator. De afgewerkte stukken worden automatisch naar een aangewezen gebied gebracht.